Автоматизированная система управления электроэрозионной водоочистной установкой c прогнозирующей моделью
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………….. 4
1 Анализ электроэрозионного процесса очистки воды………………………….. 11
1.1 Анализ работ, посвященных процессу электрической эрозии ………… 12
1.2 Описание электроэрозионного процесса очистки воды ………………….. 17
1.3 Анализ электроэрозионного процесса очистки воды как объекта
управления …………………………………………………………………………………………… 22
1.4 Выводы по главе …………………………………………………………………………… 31
2 Разработка математической модели электроэрозионного процесса
очистки воды как объекта управления ………………………………………………………. 33
2.1 Разработка подхода моделирования процесса распространения
электрических разрядов между металлическими шариками в водном
растворе ……………………………………………………………………………………………….. 34
2.1.1 Общие сведения о методе клеточных автоматов ……………………. 35
2.1.2 Применение вероятностных клеточных автоматов для
моделирования процесса распространения электрических разрядов между
металлическими шариками в водном растворе ………………………………….. 38
2.2 Разработка математической модели процесса распространения
электрических разрядов между металлическими шариками в водном
растворе ……………………………………………………………………………………………….. 45
2.3 Разработка математической модели образования продуктов
электрической эрозии металлических шариков в водном растворе ………… 54
2.4 Проверка адекватности разработанной математической модели
электроэрозионного процесса очистки воды …………………………………………. 68
2.5 Выводы по главе …………………………………………………………………………… 75
3 Разработка автоматизированной системы управления электроэрозионной
водоочистной установкой…………………………………………………………………………. 77
3.1 Функциональная схема автоматизированной системы управления
электроэрозионной водоочистной установкой ………………………………………. 78
3.2 Датчик концентрации компонентов в растворе ……………………………… 79
3.2.1 Общие сведения об оптических измерительных системах……… 81
3.2.2 Оптический датчик концентрации продуктов электрической
эрозии в обработанном водном растворе …………………………………………… 87
3.3 Управление на базе прогнозирующей модели ……………………………….. 91
3.3.1 Сравнение МРС регулятора и ПИД-регулятора с нечеткой
логикой …………………………………………………………………………………………….. 92
3.3.2 Общие сведения о методе управления на базе прогнозирующих
моделей …………………………………………………………………………………………….. 99
3.3.3 Упрощенная математическая модель объекта управления …… 103
3.3.4 Параметрический синтез МРС регулятора …………………………… 109
3.4 Исследование разработанной системы управления с помощью
компьютерного моделирования …………………………………………………………… 111
3.5 Выводы по главе …………………………………………………………………………. 115
4 Обобщение и практическое применение результатов диссертационного
исследования ………………………………………………………………………………………….. 117
4.1 Реализация автоматизированной системы управления
электроэрозионной водоочистной установкой …………………………………….. 117
4.2 Принцип управления химико-технологическими процессами на базе
прогнозирующих моделей …………………………………………………………………… 123
4.3 Интеллектуальный многопараметрический измерительный
преобразователь на базе оптических измерительных систем ……………….. 126
4.4 Выводы по главе …………………………………………………………………………. 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………… 135
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………………………….. 140
ПРИЛОЖЕНИЕ А Акт о внедрении результатов диссертационного
исследования ООО «ТКГЭ» ……………………………………………………………………. 159
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Патент на изобретение ………………………………………………. 160
ПРИЛОЖЕНИЕ В Акт о внедрении результатов диссертационного
исследования ОАО «Манотомь» …………………………………………………………….. 162
Актуальность работы. Функционирование современных технологических процессов, как правило, не обходится без автоматизированных систем управления. Необходимость в разработке и применении систем управления для различных технологических процессов обусловлена требованиями повышения эффективности, безопасности и стабильности протекания процессов [1]. Особенно актуальной задачей это является для технологических процессов химической, атомной, нефте- и газоперерабатывающей промышленностей, где предъявляются повышенные требования к безопасности протекания процессов, в силу того, что в ряде случает эти процессы, являются взрыво- и пожароопасными, вредными для организма человека, а также образуют большое количество отходов, которые можно использовать в качестве вторичного сырья.
Частным случаем химико-технологических процессов являются процессы, протекающие в водоочистных установках. Очистка природных и промышленных сточных вод от вредных примесей является актуальной задачей [2, 3]. На сегодняшний день известно много методов, используемых для решения этой задачи. Наиболее распространенными методами водоочистки являются: обратный осмос, коагуляция, ионообменное осаждение, аэрация, отстаивание и т.д. Эти классические методы водоочистки обладают достоинствами и недостатками. Среди существенных недостатков можно выделить следующие: высокий расход реагентов; необходимость периодической замены мембран; высокая стоимость мембран и реагентов; требуются большие площади, для размещения оборудования; и самый главный недостаток состоит в том, что с помощью перечисленных методов практически невозможно (или не эффективно) очищать водные источники от токсичных веществ (мышьяк) и растворенных солей [4]. В связи с этим, в последнее время, интерес исследователей направлен на применение электрической энергии для очистки водных источников [5, 6]. Одним из таких
5
методов, основанном на использовании электрической энергии, является очистка воды с помощью электроэрозионной обработки металлических шариков в очищаемой воде. Для управления и повышения эффективности современных водоочистных установок разрабатываются системы управления [7, 8].
Актуальность создания автоматизированной системы управления электроэрозионной водоочистной установкой обусловлена необходимостью повышения эффективности процесса водоочистки и отсутствием наработок в области разработки систем управления электроэрозионными водоочистными установками.
Цель диссертационной работы заключается в повышении эффективности химико-технологического процесса за счет использования автоматизированной системы управления с прогнозирующей моделью на примере электроэрозионной водоочистной установки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
– анализ электроэрозионного процесса очистки воды как объекта управления;
– разработка математической модели электроэрозионного процесса очистки воды как объекта управления;
– разработка системы управления электроэрозионной водоочистной установкой;
– обобщение и практическое применение результатов диссертационного исследования.
Объектом исследования в работе является электроэрозионная водоочистная установка в части процесса образования продуктов электрической эрозии, а также алгоритмы управления и контрольно- измерительные приборы автоматизированной системы управления технологическими процессами установки.
6
Предметом исследования являются эффективность технологического процесса образования продуктов электрической эрозии металлических шариков в водном растворе; математическая модель электроэрозионного процесса очистки воды; структурный и параметрический синтез автоматизированной системы управления электроэрозионной водоочистной установкой с прогнозирующей моделью.
Научную новизну составляют следующие результаты диссертационного исследования:
– предложена математическая модель электроэрозионного процесса очистки воды, учитывающая геометрические размеры используемого аппарата, массу и размеры загружаемых металлических шариков, электрофизические свойства обрабатываемого водного раствора и позволяющая решать задачи синтеза систем управления и оптимизации;
– на базе предложенной математической модели разработана автоматизированная система управления электроэрозионной водоочистной установкой, позволяющая стабилизировать концентрацию продуктов электрической эрозии в обработанном водном растворе;
– развит принцип управления химико-технологическими процессами, отличающийся наличием адаптивной прогнозирующей модели процесса и блока оптимизации для формирования оптимального управляющего воздействия и позволяющий повысить эффективность и безопасность протекания химико-технологических процессов (защищен патентом на изобретение No 2657711).
Теоретическая значимость работы заключается:
– в расширении использования метода клеточных автоматов для моделирования процесса распространения электрических разрядов между металлическими шариками в водном растворе;
– в развитии принципа управления химико-технологическими процессами с применением адаптивной прогнозирующей модели процесса.
7 Практическая значимость работы заключается:
– в повышении эффективности и безопасности протекания химико- технологических процессов, за счет применения развитого принципа управления с адаптивной прогнозирующей моделью процесса;
– во внедрении результатов диссертационного исследования в автоматизированную систему управления электроэрозионной водоочистной установкой ООО «ТКГЭ», что обеспечило снижение затрат электроэнергии на процесс очистки воды, при сохранившемся качестве очищенной воды;
– в создании и практическом применении опытного образца интеллектуального многопараметрического измерительного преобразователя на базе оптических измерительных систем с применением оптоволоконных кабелей.
Методы исследования. Для достижения сформулированной цели и решения поставленных задач в работе были использованы методы математического и компьютерного моделирования, методы теории автоматического управления, а также метод системного подхода для комплексного решения задач контроля, управления и оптимизации процесса.
Основные положения, выносимые на защиту:
– предложенная математическая модель электроэрозионного процесса очистки воды позволяет решать задачи синтеза систем управления и оптимизации с учетом геометрических параметров аппаратов и массы загружаемых металлических шариков;
– разработанная, на базе предложенной математической модели, автоматизированная система управления электроэрозионной водоочистной установкой обеспечивает автоматическую стабилизацию концентрации продуктов электрической эрозии в обработанном водном растворе с помощью контроля концентрации оптическим датчиком;
8
– принцип управления на базе адаптивной прогнозирующей модели позволяет повысить эффективность и безопасность протекания химико- технологических процессов.
Достоверность результатов диссертационного исследования
подтверждена успешным испытанием системы автоматизированного управления электроэрозионной водоочистной установкой ООО «ТКГЭ», а принятые в работе авторские решения основаны на известных и проверенных методах и методиках разработки систем управления и контроля технологических процессов. Положения диссертации базируются на анализе и практических результатах автоматизации химико-технологических процессов, обобщении передового опыта в области теории математического моделирования и автоматического управления. Сопоставление авторских данных и данных, представленных в независимых источниках по рассматриваемой тематике, опубликованных ранее, позволило установить их качественное и количественное соответствие.
Апробацию представляемая работа прошла на:
– VII Международной научно-практической конференции «Физико-
технические проблемы в науке, промышленности и медицине» (Томск, 2015); – 18-ой Международной конференции «Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction (PRES’15)» (Кучинг,
Малайзия, 2015);
– Седьмой всероссийской научно-практической конференции по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности «Имитационное моделирование. Теория и практика» (ИММОД-2015) (Москва, 2015);
– 24-ой Международной конференции «International MultiConference of Engineers and Computer Scientists (IMECS 2016)» (Гонконг, КНР, 2016);
9
– 19-ой Международной конференции «Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction (PRES’16)» (Прага, Чешская Республика, 2016);
– 64-ой Международной молодежной научно-технической конференции «Молодежь. Наука. Инновации» (Владивосток, 2016);
– XXII Международной научно-технической конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР – 2017» (Томск, 2017);
– 20-ой Международной конференции «Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction (PRES’17)» (Тяньцзинь, КНР, 2017);
– Восьмой всероссийской научно-практической конференции по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности «Имитационное моделирование. Теория и практика» (ИММОД-2017) (Санкт-Петербург, 2017).
Публикации по теме диссертационного исследования составляют перечень из 22 работ, среди которых: 3 статьи в рецензируемых научных журналах, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук и рекомендуемых Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации; 9 публикаций в зарубежных изданиях, индексируемых международными базами данных Scopus и Web of Science; 1 статья в издании, не относящемся к перечисленным выше; 6 тезисов докладовнамеждународныхконференциях;1 патентнаизобретение;2отчета о НИР.
Публикации [9-13] посвящены анализу электроэрозионного процесса очистки воды и разработке математической модели процесса, в работах [14, 15] представлены результаты исследования систем управления на базе ПИД- регулятора с нечеткой логикой и с МРС регулятором, статьи [16-19] посвящены разработке автоматизированной системы управления
10
электроэрозионной водоочистной установкой, в публикации [20] описан принцип управления химико-технологическими процессами на базе адаптивной прогнозирующей модели, в статьях [21, 22] представлен алгоритм пассивной идентификации параметров объекта управления в замкнутом контуре, в работах [23, 24] описаны результаты разработки измерительных устройств на базе оптических измерительных систем с применением оптоволоконных кабелей.
Реализация результатов диссертационной работы стала возможной благодаря финансовой поддержке:
– Грант Российского Фонда Фундаментальных Исследований (РФФИ), на выполнение работ по инициативному научному проекту, выполняемому молодыми учеными (Мой первый грант) No 16-31-00085 «Математическое моделирование и оптимизация электроэрозионного метода очистки воды»;
– Государственное задание No 8.3079.2017/ПЧ Министерства образования и науки Российской Федерации и договор с индустриальным партнером ОАО «Манотомь» по теме «Разработка интеллектуального датчика дифференциального давления с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для серийного освоения комплекса новых приборов стратегических отраслей Российской Федерации», в рамках которых разработаны многопараметрические сенсоры технологических переменных (давление, концентрация, расход).
Структуру диссертации образуют введение, четыре раздела, заключение, список литературы и три приложения.
Повышение эффективности и безопасности протекания различных
технологических процессов обуславливает необходимость в разработке и
применении систем управления. Особенно актуальной задачей это является
для технологических процессов химический, атомной, нефте- и
газоперерабатывающей промышленностей, где предъявляются повышенные
требования к эффективности и безопасности протекания процессов. Частным
случаем химико-технологических процессов являются процессы,
протекающие в водоочистных установках. Очистка природных и
промышленных сточных вод от растворенных в них вредных примесей
является актуальной задачей. Применение таких классических методов, как
обратный осмос, ионообменное осаждение, отстаивание и других методов,
имеет ряд трудностей и не всегда является эффективным. Для решения этой
проблемы разработано не мало новых методов и технологий водоочистки,
основанных на комбинировании классических методов водоочистки и
методов, использующих электрическую энергию. Одним из таких методов,
основанном на использовании электрической энергии, является очистка воды
с помощью электроэрозионной обработки слоя металлических шариков в
очищаемой воде. Главная цель применения электроэрозионного процесса для
очистки воды заключается в том, чтобы перевести растворенные в воде
вредные примеси в нерастворимый осадок, который затем удаляется из воды
с помощью классических методов.
В ряде научных работ было показано, что для эффективного протекания
электроэрозионного процесса очистки воды необходимо наличие
достаточного количества высокодисперсных продуктов электрической
эрозии. При этом, габариты установки, масса загрузки, а также необходимое
количество образующихся высокодисперсных продуктов электрической
эрозии определяются инженерами-технологами при проектировании
водоочистной установки, исходя из необходимой производительности
аппарата и типа загрязнителя. Электропроводность обрабатываемого водного
раствора зависит от концентрации растворенных в нем вредных примесей и
влияет на количество и размеры образующихся продуктов электрической
эрозии. Для эффективного протекания электроэрозионного процесса очистки
воды необходимо обеспечить стабильное выделение высокодисперсных
продуктов электрической эрозии. В результате проведенного обзора и анализа
литературных источников не выявлено наработок в области разработки систем
управления электроэрозионными водоочистными установками. В связи с
этим, создание автоматизированной системы управления электроэрозионной
водоочистной установкой является актуальной задачей.
Представленные в литературе исследования по математическому
моделированию электроэрозионного процесса, не могут быть использованы
для описания процессов, протекающих в электроэрозионной водоочистной
установке, поскольку рассматривают процессы либо для электроэрозионных
станков, либо для конкретной водоочистной установки с определенным
наполнением. В связи с этим, для синтеза автоматизированной системы
управления электроэрозионной водоочистной установкой была разработана
математическая модель электроэрозионного процесса очистки воды как
объекта управления. Разработанная математическая модель базируется на
методе вероятностных клеточных автоматов и отражает динамику изменения
концентрации продуктов электрической эрозии в зависимости от изменения
напряжения подаваемых электрических импульсов и концентрации вредных
примесей, содержащихся в обрабатываемом водном растворе. Для оценки
адекватности, разработанной математической модели, было рассчитано
приведенное среднеквадратическое отклонение расчетных данных от
экспериментальных. Расхождение между данными составило порядка 6 %, что
позволяет считать разработанную модель адекватной и использовать для
дальнейшей работы.
Теоретический анализ и практические исследования показали
преимущества применения систем управления на базе прогнозирующих
моделей (МРС – Model Predictive Control) перед системами управления на базе
ПИД-регуляторов и ПИД-регуляторов с нечеткой логикой, для управления
многомерными (многосвязными) объектами, объектами, поведение которых
описывается передаточной функцией высокого порядка (второго и выше), а
также сложными динамическими объектами, параметры которых изменяются
в ходе технологического процесса. В виду сложности электроэрозионного
процесса водоочистки, а также учитывая результаты сравнения МРС
регулятора и ПИД-регулятора с нечеткой логикой, для управления
электроэрозионной водоочистной установкой был выбран МРС регулятор. В
ходе диссертационного исследования была разработана функциональная
схема автоматизированной системы управления электроэрозионной
водоочистной установкой на базе МРС регулятора. Для синтеза МРС
регулятора было произведено упрощение разработанной ранее
математической модели электроэрозионного процесса очистки воды как
объекта управления. С помощью созданной компьютерной модели была
получена статическая характеристика электроэрозионной водоочистной
установки по каналу управления. Полученная статическая характеристика
является нелинейной. Учитывая технические особенности используемого
генератора электрических импульсов и нелинейность полученной статической
характеристики, была выделена рабочая точка и рабочий интервал,
подаваемых электрических импульсов. В результате электроэрозионный
процесс очистки воды по каналу управления был описан инерционным звеном
второго порядка с разными постоянными времени. Для контроля управляемой
переменной был разработан оптический датчик концентрации продуктов
электрической эрозии в обработанном водном растворе, основанный на
спектрофотометрическом методе. Используя компьютерную модель процесса
было проведено исследование разработанной системы управления. В
результате моделирования были определены оптимальные значения
горизонтов прогнозирования и управления для МРС регулятора,
используемого в разработанной системе управления. Также показано, что
разработанная система управления электроэрозионной водоочистной
установкой на базе МРС регулятора позволяет стабилизировать концентрацию
продуктов электрической эрозии в обработанном водном растворе на
заданном уровне.
Разработанная автоматизированная система управления
электроэрозионной водоочистной установкой на базе МРС регулятора была
внедрена в процесс водоподготовки ООО «Томская комплексная
геологоразведочная экспедиция», о чем свидетельствует соответствующий акт
о внедрении результатов диссертационного исследования.
Обобщением результатов диссертационного исследования является:
– развитие принципа управления на базе адаптивной прогнозирующей
модели, для химико-технологических процессов, протекающих в химическом
реакторе;
– разработка интеллектуального многопараметрического измерительного
преобразователя на базе оптических измерительных систем с применением
оптоволоконных кабелей.
Интеллектуальный многопараметрический измерительный
преобразователь на базе оптических измерительных систем ориентирован на
предприятия атомной и нефтегазовой промышленности. Это обусловлено тем,
что в современных радиохимических производствах, в том числе во вновь
создаваемых, в рамках проекта «Прорыв», Государственной корпорации
«Росатом», используются приборы для контроля давления, практически во
всех технологических линиях, концентрации и расхода жидких сред.
Отличительной чертой является размещение большой части оборудования в
«горячих» камерах. В связи с этим, предпочтительны приборы, элементы
которых, размещенные на технологическом оборудовании, не требуют
обслуживания и отличаются высокой надежностью. Кроме того, с ростом
добычи нефти и газа возникает потребность в освоении новых месторождений,
находящихся в сложных природно-климатических условиях крайнего Севера.
В таких условиях необходимость в контроле технологических параметров,
таких как забойное и пластовое давления, расход бурового раствора, а также
температура, становится более актуальной. Одним из важных требований,
предъявляемых к контрольно-измерительным приборам, является удаление
активной электроники из нефтяной скважины, что позволит увеличить срок
службы оборудования и повысить надежность. Всем этим требованиям
отвечает разработанный интеллектуальный многопараметрический
измерительный преобразователь на базе оптических измерительных систем.
Использование оптической измерительной системы позволяет реализовать
принцип удаленного измерения, обеспечивает надежность прибора,
существенно снижает эксплуатационные расходы. Преимущество данной
измерительной системы заключается в том, что сенсор является
необслуживаемым, не требует подведения питания, разделительных сред и
т.д., может работать в жестких условиях, а интеллектуальная часть прибора
находится в комфортных условиях с удалением вплоть до десятков
километров от точки установки сенсора.
Оригинальность разработок подтверждена патентом на изобретение, а их
внедрение соответствующими актами.
Выполненная научная квалификационная работа, содержит решение
задачи, заключающейся в повышении эффективности химико-
технологического процесса за счет использования автоматизированной
системы управления с прогнозирующей моделью.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (21 отзыв)
4.5 (330 отзывов)
5 (44 отзыва)
5 (1241 отзыв)
4.9 (35 отзывов)
5 (49 отзывов)
4.9 (5 отзывов)
4.2 (25 отзывов)
4.4 (59 отзывов)
